JP2012049450A - 固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】効率的な放熱と小型化とが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本固体撮像装置1は、レンズ鏡筒を兼ねるケース101と、ケース101の開口端の内壁11に装着され、相対向する第1の面12及び第2の面13を有する配線基板102と、配線基板102の第1の面12に実装された固体撮像素子103と、ケース101の開口端を覆うモールド部104と、を備え、ケース101の開口端と配線基板102の第2の面13とがモールド部104で覆われている。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法に関する。特に、防水性能と広画角が要求される車両搭載向けの小型の固体撮像装置に関するものである。
従来、配線基板に実装された部品を樹脂で封止する固体撮像装置が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。特許文献1、2の技術では、配線基板において、撮像素子が装着される面(以下、第1の面ともいう)と反対側の面(以下、第2の面ともいう)に電子部品を装着し、装着された電子部品をモールド樹脂により封止する。続いて、配線基板の第1の面に撮像素子を装着し、撮像素子にレンズを内蔵するレンズ保持部を覆い被せ、レンズ保持部と配線基板とを接着する。
また、図9は、従来の車両搭載向けの小型の固体撮像装置の構成の一例を示す図である。前面ケース901は、光学レンズ902〜904を固定し格納するレンズ鏡筒と一体になっている。また、撮像素子905の実装基板には、CMOS等の半導体素子がワイヤーボンディングやフリップチップ実装工法により実装されている。そして、配線基板906には、第1の面91に撮像素子905が装着され、第2の面92にその他の周辺回路部品や電源回路部品が装着される。そして、固定ビス907によって前面ケース901に光学レンズ902〜904と撮像素子905とが位置あわせされ、固定される。前面ケース901と背面モールド部908とは、超音波溶着やレーザ溶着により、あるいはゴムなどの機密保持材を挟んでねじ等の機械的締結により、気密性を確保しつつ固定される。また、配線基板906の第2の面92と背面モールド部908との間には、空気層909が存在している。なお、符号910は接続コネクタ、符号911はOリングである。
特開2005−72978号公報 国際公開第2009/098875号
しかしながら、従来の固体撮像装置では、配線基板の裏面全体をモールド樹脂により覆うので、その分小型化することが困難であった。また、図2のような撮像装置の構造では、動作時に発熱しやすい半導体素子や配線基板と撮像装置の前面ケースや背面モールド部との間に空気層があり、しかも密閉構造をとっているため、放熱効率が悪く、半導体素子の温度が動作保障温度を超えることがあった。
また、車両運行の安全を確保することを目的として、人物を検知して運転者に警告を発するシステムや、走行車線のセンターラインをモニタリングして居眠り運転などによる車両の蛇行を防止するシステムなどの、いわゆる車両運行をアシストするセンシングカメラシステム用途の小型の固体撮像装置が普及し始めている。このようなセンシングカメラシステム用途の固体撮像装置では、半導体の論理回路規模が大きく、車両の走行中通電が継続されるために、消費電力量が特に増大していた。そのため、熱による半導体素子の性能劣化や半田接合部の信頼性の低下が発生することがあり、効率的な放熱を行う必要があった。
さらに、光学レンズと撮像素子との位置合わせ(光軸調整)を含む実装作業性を良好にして、組立時間を短縮できることが望ましい。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、効率的な放熱と小型化が可能であり、さらに光軸調整を容易にすることが可能な固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像装置は、レンズ鏡筒を兼ねるケースと、前記ケースの開口端の内壁に装着され、相対向する第1及び第2の面を有する配線基板と、前記配線基板の前記第1の面に実装された固体撮像素子と、前記ケースの開口端を覆うモールド部と、を備え、前記ケースの開口端と前記配線基板の前記第2の面とが前記モールド部で覆われている。
この構成によれば、配線基板とモールド部との接触面積が増大し、配線基板の発熱を効率的に撮像装置外部へ放熱できる。また、ケースの開口端と配線基板の裏面とがモールド部により覆われれば足りるため、小型の撮像装置を実現できる。さらに、レンズ鏡筒を兼ねるケースの開口部に配線基板を装着することで、レンズと配線基板との位置決めが容易であり、かつ、放熱特性の優れた実装が可能である。
また、本発明の固体撮像装置は、前記配線基板の前記第1の面に、前記固体撮像素子を囲むように、前記配線基板を補強する配線基板補強板が装着され、前記配線基板補強板の少なくとも一部と前記ケースとが溶着されている。
この構成によれば、ケースと配線基板補強板とが溶着により固定されることで、ボルトなどの締結部材が不要となる。また、配線基板補強板からケースに向けての放熱効率が向上するとともに、締結部材が不要となるので、部品点数が低減され低コスト化を図ることができる。
また、本発明の固体撮像装置は、前記配線基板の少なくとも一部と前記ケースとが溶着されている。
この構成によれば、ケースと配線基板自体とが溶着により固定されることで、ボルトなどの締結部材が不要となる。また、配線基板からケースに向けての放熱効率が向上するとともに、締結部材が不要となるので、部品点数が低減され低コスト化を図ることができる。
また、本発明の固体撮像装置は、前記配線基板の第2の面に設けられた外部接続用の接続端子を備え、前記外部接続用の接続端子が、前記モールド部から導出されている。
この構成によれば、防水性能を満たしつつ、接続端子の導出位置を固定できる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、固体撮像素子を、相対向する第1及び第2の面を有する配線基板に実装する工程と、レンズ鏡筒を兼ねるケースの開口端の内壁に配線基板を装着する工程と、前記ケースの開口端と前記配線基板の前記第2の面とをモールド部で覆う工程と、を含む。
この製造方法によれば、配線基板とモールド部との接触面積が増大し、配線基板の発熱を効率的に撮像装置外部へ放熱できる。また、ケースの開口端と配線基板の裏面とがモールド部により覆われれば足りるため、小型の撮像装置を実現できる。さらに、レンズ鏡筒を兼ねるケースの開口部に配線基板を装着することで、レンズと配線基板との位置決めが容易であり、かつ、放熱特性の優れた実装が可能である。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記配線基板の前記第1の面に、前記固体撮像素子を囲むように、前記配線基板を補強する配線基板補強板を装着する工程と、前記配線基板補強板の少なくとも一部と前記ケースとを溶着する工程と、を含む。
この製造方法によれば、ケースと配線基板補強板とが溶着により固定されることで、ボルトなどの締結部材が不要となる。また、配線基板補強板からケースに向けての放熱効率が向上するとともに、締結部材が不要となるので、部品点数が低減され低コスト化を図ることができる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記配線基板の少なくとも一部と前記ケースとを溶着する工程を含む。
この製造方法によれば、ケースと配線基板自体とが溶着により固定されることで、ボルトなどの締結部材が不要となる。また、配線基板からケースに向けての放熱効率が向上するとともに、締結部材が不要となるので、部品点数が低減され低コスト化を図ることができる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記配線基板の第2の面に設けられた外部接続用の接続端子を前記モールド部から導出する工程を含む。
この製造方法によれば、防水性能を満たしつつ、接続端子の導出位置を固定できる。
本発明によれば、固体撮像装置の効率的な放熱と小型化が可能であり、さらに光軸調整を容易にすることが可能である。
本発明の第1の実施形態における固体撮像装置の構成例を示す断面図 本発明の第1の実施形態におけるTSVの構造を説明するための図 本発明の第1の実施形態における固体撮像素子の裏面側の斜視図 (A)従来の固体撮像装置の発熱後の放熱効果を検証するための温度計測シミュレーション結果を示す図、(B)本発明の第1の実施形態における固体撮像装置の発熱後の放熱効果を検証するための温度計測シミュレーション結果を示す図 本発明の第2の実施形態における固体撮像装置の構成例を示す断面図 本発明の第2の実施形態における配線基板周辺の拡大断面図 本発明の第3の実施形態における固体撮像装置の構成例を示す断面図 本発明の第3の実施形態における配線基板周辺の拡大断面図 従来の固体撮像装置の構成例を示す断面図
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態における固体撮像装置の構成例を示す断面図である。本実施形態の固体撮像装置は、例えば車両搭載用のセンシングカメラ、携帯電話用の小型カメラとして使用される。図1に示す固体撮像装置1は、レンズ鏡筒を兼ねるケース101と、ケース101の開口端の内壁11に装着され、相対向する第1の面12及び第2の面13を有する配線基板102と、配線基板102の第1の面12に実装された固体撮像素子103と、ケース101の開口端を覆うモールド部104と、を備え、ケース101の開口端と配線基板102の第2の面13とがモールド部104で覆われている。また、固体撮像装置1は、この他に、レンズ105〜107、接続コネクタ108、ネジ109、などを備える。また、符号110は、Oリングである。
ケース101は、例えば黒色のポリアミドで形成され、遮光性を有する樹脂ケースである。このケース101の開口端の内壁11には、配線基板102を係止する係止部101sを有している。このケース101は、複数のレンズ105〜107を支持するための支持部101a〜101cを有し、レンズ鏡筒を兼ねている。なお、レンズの数は任意である。また、図1に示すように、レンズ105とレンズ106との間には、所定のスペーサ113を有する。
また、このケース101内に配線基板102を収容するので、ケース101と配線基板102との密着性がよく、防水性能、防塵性能も向上する。また、ケース101の支持部101a〜101cにより、あらかじめ所定の位置にレンズ105〜107が支持され、ケース101の係止部101Sにより、固体撮像素子103が配線基板102の所定の位置に実装される配線基板102が、ケース101の所定の位置に係止されるので、光軸位置合わせが容易である。
配線基板102は、樹脂基板、フレキシブル配線基板、金属配線基板、セラミック配線基板などであり、樹脂基板の場合には多層樹脂基板とすることができる。また、配線基板102は、第1の面12及び第2の面13を有する。第1の面12とは、配線基板102において固体撮像素子103が実装される面であり、第2の面13とは、その裏面であり、画像処理チップやその他電子部品が実装される面である。配線基板102の第1の面12(前面)側は、図1に示すように、ケース101に覆われた状態となる。また、配線基板102とケース101とは、ネジ109によって固定されている。このネジ109のネジ頭部分は、モールド部104で覆われている。
固体撮像素子103は、配線基板102の第1の面12に実装される。固体撮像素子103の基板には、CMOS等の半導体素子がワイヤーボンディングやフリップチップ実装工法により実装される。また、固体撮像素子103は、TSV(through-silicon via:Si貫通電極)を有する構造となっている。図2は、固体撮像素子103のTSVの構造を説明するための図であり、図3は、固体撮像素子103の裏面側の斜視図である。
固体撮像素子103には、受光素子上面に反射防止コーティングが施された封止ガラスが接着される。受光素子は、レンズ105に対向する面(図1における固体撮像素子103の上面、図2における固体撮像素子103の下面)に配置され、第1配線層201と電気的に接続される。第1配線層201のSi基板206との対向側には、絶縁層202が形成される。また、固体撮像素子103の受光素子面の対向面(図1における固体撮像素子103の下面、図2における固体撮像素子103の上面)には、図2及び図3に示すように、グリッド上に再配線された第2配線層203が形成される。第1配線層201と第2配線層203とはTSV204によって導通され、TSV204内部にはCu等の導電体が充填される。また、TSV204の周囲にはTiN等のバリアメタル205が形成され、固体撮像素子103のSi基板206との絶縁を図っている。第2配線層203の所定の箇所はバンプ301と電気的に接続されており、固体撮像素子103と配線基板102とはバンプ301を介して半田接合される。
モールド部104は、熱可塑性ポリアミド系の樹脂、エポキシ樹脂等により形成される。また、図1に示すように、モールド部104とケース101の開口端と配線基板102の第2の面13との間には、空気層(図9の符号909参照)が介在していない。これにより、空気がこもることなく、放熱効率が向上する。
配線基板102の第2の面13には、外部接続用の接続端子として、固体撮像素子103の画像信号を外部装置へ送出するための接続コネクタ108を有する。固体撮像装置1が車両搭載用である場合には、接続コネクタ108は、外部装置(ここでは車両)から電力を取得し、この電力を配線基板102へ供給する。また、接続コネクタ108は、配線基板102の第2の面13に表面実装はんだ付け工法で実装される。
また、接続コネクタ108は、モールド部104で覆われており、接続コネクタ108のピン(先端部分)はモールド部104から導出されている。なお、接続コネクタ108としては、金属端子を樹脂で一体成形した部品を実装してもよいし、いわゆるリードフレーム形状の部品をそのまま実装してもよい。
このように、接続コネクタ108としてフレキシブル基板を用いていないので、振動等により接続コネクタ108が劣化して断線等が生じる可能性は少ない。また、接続コネクタ108によれば、しっかりと位置が固定されるので、機械的接続と電気的接続を同時に行うことが可能である。さらに、接続コネクタ108をあらかじめ配線基板102に実装してモールドすることで、防水性能を満たしつつ接続コネクタ108を機構的に保持することができる。
さらに、固体撮像装置1が携帯電話用である場合には、接続コネクタ108を経由して電力供給を行う代わりに、図示しない電源ICが配線基板102の第2の面13に配設される場合もあるが、この場合には電源ICもモールド部104に覆われる。
次に、本実施形態における固体撮像装置1の製造方法について説明する。
まず、固体撮像素子103を配線基板102の第1の面12に実装する。続いて、ケース101の開口端の内壁11に配線基板102を装着する。このとき、固体撮像素子103の画像信号をモニタしながら、あらかじめレンズ105〜107が組み込まれたケース101と配線基板102との光軸調整を行い、ネジ109でケース101に配線基板102を固定する。
続いて、ケース101と配線基板102とが一体となった配線基板102の背面を樹脂材料で封止(モールド)する。つまり、ケース101の開口端と配線基板102の第2の面13とをモールド部104で覆う。このとき、ケース101と配線基板102を金型に組み付け、キャビティに樹脂を充填する。ここで、レンズ105〜107がガラスや熱硬化性の耐熱プラスティック樹脂で形成されている場合、モールド部104を構成する充填樹脂材料としては、例えば硬化温度が120℃〜150℃の熱可塑性ポリアミド系の樹脂を用いる。一方、レンズ105〜107が弱耐熱プラスティックの場合、モールド部104を構成する充填樹脂材料としては、常温硬化型の2液のエポキシ樹脂を用いる。
なお、配線基板102の背面をモールドする際には、接続コネクタ108のピンをモールド部104から導出するようにする。
このような固体撮像装置1によれば、配線基板102とモールド部104との間に空気層(図9の符号909参照)が介在しないので、固体撮像素子103や画像処理チップで発生する熱を、効果的に固体撮像装置1の外側に放熱することが可能である。したがって、熱による半導体素子の性能劣化や半田接合部の信頼性の低下を防止することができる。
図4(A)は、従来の固体撮像装置についての温度計測シミュレーション結果の一例を示しており、図4(B)は、本実施形態の固体撮像装置1についての温度計測シミュレーション結果の一例を示している。どちらのシミュレーションも、固体撮像装置に通電動作中に、温度が一定になる定常状態における状態を示している。従来の固体撮像装置では、定常状態で温度が高い箇所は、図4(A)の太点線の周辺部分である。一方、本実施形態の固体撮像装置1では、定常状態で温度が高い箇所は、図4(B)の太点線の周辺部分である。このように、図4(A)に示す従来の固体撮像装置と比較すると、図4(B)に示す固体撮像装置1では、温度が高い箇所は固体撮像素子103の近傍のみであり、したがって温度が高い領域が小さくなっており、これ以外は温度が低くなっており放熱されている状態であることが理解できる。また、本実施形態の固体撮像装置1では、従来の固体撮像装置と比較すると、通電前の雰囲気温度と定常状態でのピーク温度(定常状態での固体撮像素子103の温度、ただし、他の半導体素子で固体撮像素子103よりも単位体積あたりの消費電力が大きい素子がある場合には、定常状態でのその素子の温度)との差ΔTが約30%低減される。さらに、固体撮像装置1が車両搭載用の人物検知など高度な画像処理回路を内蔵したイメージセンサを用いたものの場合、イメージセンサの論理回路規模が大きいために消費電力が大きく、発熱量も大きいため、特に放熱効果が大きい。
また、固体撮像装置1が車両に搭載される場合には、雨滴や高圧洗車機による内部への水の浸入に対してJIS IPX7相当の防水性能が求められるが、固体撮像装置1によれば、この防水性能を確保することができる。
さらに、レンズ鏡筒を兼ねるケース101を用いることで、レンズ105〜107及び配線基板102が所定の位置に装着されるので、光軸調整が容易であり、実装作業性が良くなる。
(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態における固体撮像装置1Bの構成例を示す断面図である。先に説明した固体撮像装置1と異なる点は、金属補強板111を備えており、配線基板102をケース101に金属補強板111を介して溶着することで固定することである。本実施形態では、第1の実施形態と異なる点を主に説明する。
金属補強板111は、装着時に配線基板102を補強する配線基板補強板としての役割を果たすものであり、例えばSUS板を用いる。金属補強板111は、配線基板102の第1の面12に、固体撮像素子103を囲むように装着される。また、金属補強板111は、固体撮像素子103と配線基板102とが対向する領域で開口を有している。
また、図6は、本実施形態における配線基板102周辺の拡大断面図である。図5及び図6に示すように、金属補強板111の端部は、配線基板102の端部よりも外側に突出している。この突出部分がケース101と溶着されている。つまり、金属補強板111の少なくとも一部とケース101とが溶着されている。これにより、固体撮像素子103や画像処理チップで発生する熱を、導電率の高い金属補強板111を介して、固体撮像装置1Bの外側に放熱することが可能である。
次に、本実施形態における固体撮像装置1Bの製造方法について説明する。
まず、固体撮像素子103及び金属補強板111を配線基板102の第1の面12に実装する。続いて、ケース101の開口端の内壁11に配線基板102を装着する。このとき、固体撮像素子103の画像信号をモニタしながら、配線基板102の第1の面12に実装された金属補強板111とケース101と突合せ、光軸調整を行う。続いて、金属補強板111の少なくとも一部とケース101とを溶着する。このとき、レーザ光などを金属補強板111とケース101との突き当て部分に照射し、金属又はケース101を形成する樹脂を溶融させ、配線基板102とケース101とを所定の位置に固定する。続いて、ケース101の開口端と配線基板102の第2の面13とをモールド部104で覆う。
このような固体撮像装置1Bによれば、導電率の高い金属補強板111を介して効果的に固体撮像装置1B外側に放熱することが可能である。また、ネジ等の締結部材を要しないため、部品点数が減少し固体撮像装置1Bの製造コストの削減が図れる。さらに、固体撮像装置1と同様に、固体撮像装置1Bの小型化が可能であり、かつ、光軸調整が容易であり、実装作業性が向上する。
(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態における固体撮像装置1Cの構成例を示す断面図である。先に説明した固体撮像装置1及び1Bと異なる点は、配線基板102自体をケース101に溶着することで固定することである。本実施形態では、第1の実施形態及び第2の実施形態と異なる点を主に説明する。
図8は、本実施形態における配線基板102周辺の拡大断面図である。本実施形態の配線基板102は、多層配線基板であり、配線基板102の内層のコア材として内層金属板112を有する。内層金属板112は、例えば銅板である。図8では、内層金属板112の最も外側に位置する部分は、配線基板102の他の層よりも外側に位置しており、この部分がケース101と溶着される。
なお、配線基板102が樹脂基板ではなく金属やセラミックを用いた基板である場合には、内層金属板112に限られず、図7に示すように、表層の端部がケース101と溶着されてもよい。この場合、配線基板102は多層配線基板でなくてもよい。
次に、本実施形態における固体撮像装置1Cの製造方法について説明する。
まず、固体撮像素子103を、内層に内層金属板112を有する多層の配線基板102に実装する。続いて、ケース101の開口端の内壁11に配線基板102を装着する。このとき、固体撮像素子103の画像信号をモニタしながら、配線基板102が有する内層金属板112とケース101と突合せ、光軸調整を行う。続いて、内層金属板112の少なくとも一部とケース101とを溶着する。このとき、レーザ光などを内層金属板112とケース101との突き当て部分に照射し、金属又はケース101を形成する樹脂を溶融させ、配線基板102とケース101とを所定の位置に固定する。続いて、ケース101の開口端と配線基板102の第2の面13とをモールド部104で覆う。
このような固体撮像装置1Cによれば、配線基板102を介して効果的に固体撮像装置1Cの外側に放熱することが可能である。また、ネジ等の締結部材を要しないため、部品点数が減少し固体撮像装置1Cの製造コストの削減及び組み立て工数の削減が図れる。さらに、固体撮像装置1と同様に、固体撮像装置1Cの小型化が可能であり、かつ、光軸調整が容易であり、実装作業性が向上する。
本発明は、効率的な放熱と小型化とが可能な固体撮像装置等に有用である。
1、1B、1C 固体撮像装置
11 ケースの内壁
12 配線基板の第1の面
13 配線基板の第2の面
101 ケース
101a〜101c 支持部
101S 係止部
102 配線基板
103 固体撮像素子
104 モールド部
105〜107 レンズ
108 接続コネクタ
109 ネジ
110 Oリング
111 金属補強板
112 内層金属板
113 スペーサ

Claims (8)

  1. レンズ鏡筒を兼ねるケースと、
    前記ケースの開口端の内壁に装着され、相対向する第1及び第2の面を有する配線基板と、
    前記配線基板の前記第1の面に実装された固体撮像素子と、
    前記ケースの開口端を覆うモールド部と、
    を備え、
    前記ケースの開口端と前記配線基板の前記第2の面とが前記モールド部で覆われた固体撮像装置。
  2. 請求項1に記載の固体撮像装置であって、
    前記配線基板の前記第1の面に、前記固体撮像素子を囲むように、前記配線基板を補強する配線基板補強板が装着され、
    前記配線基板補強板の少なくとも一部と前記ケースとが溶着された固体撮像装置。
  3. 請求項1に記載の固体撮像装置であって、
    前記配線基板の少なくとも一部と前記ケースとが溶着された固体撮像装置。
  4. 請求項1に記載の固体撮像装置であって、更に、
    前記配線基板の第2の面に設けられた外部接続用の接続端子を備え、
    前記外部接続用の接続端子は、前記モールド部から導出された固体撮像装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
    固体撮像素子を、相対向する第1及び第2の面を有する配線基板に実装する工程と、
    レンズ鏡筒を兼ねるケースの開口端の内壁に配線基板を装着する工程と、
    前記ケースの開口端と前記配線基板の前記第2の面とをモールド部で覆う工程と、
    を含む固体撮像装置の製造方法。
  6. 請求項5に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
    前記配線基板の前記第1の面に、前記固体撮像素子を囲むように、前記配線基板を補強する配線基板補強板を装着する工程と、
    前記配線基板補強板の少なくとも一部と前記ケースとを溶着する工程と、
    を含む固体撮像装置の製造方法。
  7. 請求項5に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
    前記配線基板の少なくとも一部と前記ケースとを溶着する工程を含む固体撮像装置の製造方法。
  8. 請求項5に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
    前記配線基板の第2の面に設けられた外部接続用の接続端子を前記モールド部から導出する工程を含む固体撮像装置の製造方法。
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